CC BY
89
УДК 621.746
З. К. Кабаков, С. В. Браткин, М. А. Мащенко, В. И. Серов
Череповецкий государственный университет
РАСЧЕТ БАЛАНСА ТЕПЛОТЫ В ШАХТЕ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ФУКСА
В статье представлена методика расчета статей теплового баланса теплоты в шахте дуговой сталеплавильной печи Фукса с использованием математической модели конвективного теплообмена в слое шихты. Методику предполагается использовать для повышения эффективности использования теплоты отходящих из печи горячих газов.
Дуговая сталеплавильная печь Фукса, шахта, шихта, методика расчета баланса теплоты, математическая модель конвективного теплообмена в слое шихты.
The paper presents the technique of the articles of the thermal balance of heat in the shaft of the electric arc furnace Fuchs using the mathematical model of convective heat transfer in the layer of the charge. The methodology will be used to increase the utilization of heat from exhaust of hot gases from the furnace.
Fuchs electric arc furnace, shaft, charge, method of calculating the balance of heat, mathematical model of convective heat transfer in the layer of the charge.
Введение.
Одним из направлений развития сталеплавильного производства является повышение производительности сталеплавильных агрегатов, в которых в качестве шихты используется стальной лом. Для этого стальной лом перед загрузкой в печь подогревают. Для подогрева лома в дуговой сталеплавильной печи конструкции фирмы Фукс (далее - печь Фукса) используют теплоту отходящих из рабочего пространства печи газов. Особенностью этой печи является наличие специальной шахты, расположенной над частью рабочего пространства (рис. 1).
странства печи в шахту. Приходя через металлолом, газы отдают часть теплоты и уходят в газоочистительный тракт. Часть теплоты газов теряется также на нагрев воды, используемой для охлаждения пальцев и металлических стен шахты. После заливки жидкого чугуна пальцы опускаются, и подогретый лом ссыпается из шахты на подину печи.
Основная часть.
В данной работе для совершенствования тепловой работы шахты разработана методика расчета теплового баланса шахты для произвольного момента времени нагрева лома.
На рис. 2 показана схема потоков теплоты в шахте.
Рис
1. Шахтная дуговая печь с удерживающими пальцами 1 - водоохлаждаемая шахта электропечи; 2 - удерживающие «пальцы»; 3 - ванна электропечи
В нижней части шахты располагают водоохлаж-даемые «пальцы», которые перекрывают низ шахты и удерживают металлическую шихту при загрузке и подогреве ее. Между пальцами имеются щели, через которые засасывается горячий газ из рабочего про-
Рис. 2. Схема потоков теплоты в шахте 1 - стенки шахты; 2 - металлолом; 3 - область удерживающих пальцев
Считаем, что теплота Qг.„р. поступает в шахту с газом из печного пространства за время t. Часть этой теплоты нагревает шихту Qш и газ, находящийся в шахте с ломом Qг. Другая часть уходит с газом через шахту Qг,yх. и с водой, охлаждающей шахту Qст.ш. и удерживающие пальцы Q„. за время t. Методика включает уравнение теплового баланса:
дятся с помощью математической модели теплообмена в неподвижном слое при просасывании через него горячего газа [1]. Модель включает дифференциальные уравнения: теплопереноса с газом: -т
Ж Ргс -У =-«, (Т - Тш)- /1 - / (8)
ты:
Qг.„р= Qш + Qг.yх.+ Qг+ Q„+ Qсm.ш. (1)
Определим все указанные статьи баланса тепло-
1о 1о Сг -Рг Ж (Тг пр - Тшо ) =
= а-Ь-сг-рг-Ж-(тгпр -Тшо),
Qш = Ц |0Ь |„Я Сш • Рш • (1 - е) • (Тш - ТшО ) Л^У^ = = а-Ь-Сш -Рш -(1 -е)-|оЯ (Т ш - Тшо )
Qг = £ £ £ Сг - Рг - (Тг - Тшо ) =
= а-Ь^ сг -Рг -(Тг - Тшо )
Qг,х.=Íоt £ Сг Фг Ж(х - Тшо ) = = а-Ь-Сг-Рг-Ж-£ (Тг^ - Тшо ),
бст.ш. = £ Св - Рв - °в.ш. - (Тш2 - Тш1 ) Л = = Св -Рв -Св.ш. -(тш2 - Тш1 )t,
бп.=£ св -Рв -Ов.п.-(т п2 - Т п1 ) =
= Св -Рв -<Л.п.-(Тп2 - Тп1 )t,
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
где Ж - скорость газа, м/с; сг, рг - удельная теплоемкость и плотность газа; Тгпр - температура поступающих в шахту газов; Тшо - начальная температура шихты; t - текущее время; а и Ь - размеры поперечного сечения шахты; Н - высота слоя шихты; Сш, рш -удельная теплоемкость и плотность лома; е - пороз-ность металлической шихты; Тш=/Ху) - распределение температуры шихты по высоте шахты в момент времени t; Тг= g(t,y) - распределение температуры газа по высоте шахты в момент времени ^ Тгух=/(t,0)
- температура уходящего из шахты газа; Ов.ш. и Овп.
- расход воды на шахту и пальцы; св и рв - теплоемкость и плотность воды; Тш1 и Тш2 - температура воды на входе и выходе из стенок шахты; Тп1 и Тп2 -температура воды на входе и выходе из пальцев.
Полученные статьи прихода и расхода теплоты позволяют оценить коэффициент полезного исполь-
.г,-™ Qш -1оо%
зования (КПИ) тепла отходящих газов п = -
Qг.пр.
и влияния параметров металлолома и шахты на КПИ шахты.
В формулах для определения статей баланса (2)-(7) входят нестационарные распределения температуры шихты и газа по высоте шахты, которые нахо-
нагрева шихты (лома):
-Т
Рш (1 "В)сш-^ = а(г -Тш), (9)
граничное условие для уравнения (8):
Тг (*, Н ) = Тго, (1о)
и начальное условие для уравнения (9) при
о < ^ < Н: Тш (/, 2) = Тшо. (11)
В уравнениях (8)-(11) использованы дополнительные обозначения: /1 - функции стока теплоты, с помощью которой учитывается потери теплоты газа к воде, охлаждающей стенки шахты; /2 - функция стока теплоты, с помощью которой учитывается потери теплоты газа к воде, охлаждающей пальцы, -коэффициент объемного теплообмена для крупных кусков шихты [2].
Функции стока определяются по формулам:
г = °в.ш -СвРв (Тш2 - Тш1 ) Г = Св.п -СвРв (Тп2 - Тп1 ) /1 = 77 , 2 и ТТ ,
а-Ь-Н
а-Ь-Н п
где Н„ - высота пальцев.
Величина аг определяется по формуле:
Жо
ау = 75,6-
-(Тг + 273)0
-й -М
й Г-6 (1 - е)
(12)
где М - коэффициент, зависящий от равномерности распределения газов по сечению, Тг - температура газа, К; йэ - типичный диаметр куска лома; е - по-
розность слоя; Ж - скорость (расход) газа.
Система уравнений (8)-(11) решена методом конечных разностей. Алгоритм решения реализован с использованием алгоритмического языка ПАС-КАЛЬ-7. В алгоритм вошли также формулы (1)-(7), представленные в конечно-разностном виде. Выполнено тестирование алгоритма решения путем сравнения с точным решением задачи Т. Шумана [2]. Удовлетворительное согласование экспериментальных и результатов моделирования по температуре отходящего газа и шихты в верхнем сечении шахты, а также по тепловым потокам к воде, охлаждающей пальцы и шахту, достигнуто при адаптации модели по эмпирическому коэффициенту М в формуле (12) для определения аг.
Ниже приведены результаты расчета статей баланса в шахте печи Фукс с применением математической модели конвективного теплообмена в неподвижном слое шихты в шахте печи Фукса емкость 130 т стали. Моделирование выполнено для исходных данных, представленных в табл. 1.
На рис. 3 приведено изменение коэффициента полезного использования тепла отходящего газа (КПИ, %) от времени нагрева.
Как видно из рис. 3, КПИ отходящих газов уменьшается с течением времени, что связано с увеличением температуры газов, покидающих шахту, и соответствующего увеличения потерь теплоты с газом в процессе нагрева шихты.
В табл. 2 приведены результаты расчета средних относительных значений статей баланса теплоты в шахте за время нагрева шихты. Данные по теплоте газа в шахте не вошли в таблицу ввиду незначительности этих величин.
Таблица 1
Исходные данные для моделирования
Обозначение Наименование величины Значение Единицы измерения
То Температура газа на входе в шахту 900 оС
Тш0 Начальная температура шихты 50 оС
Н Высота слоя в шахте 6 м
8 Порозность слоя 0,9 -
а э Типичный размер кусков шихты 0,6 м
Рш Плотность шихты 7500 кг/м3
сш Теплоемкость шихты 530 Дж/(кг-К)
м Коэффициент равномерности газов 0,04 -
ж Скорость фильтрации газа 14 м/с
гк Продолжительность нагрева 720 мин.
Сг Теплоемкость газа 460 Дж/(кг-К)
Рг Плотность газа 0,5 кг/м3
N Количество узлов в расчетной области 10 -
КПИ,%
Продолжительность нагрева, мин.
Рис. 3. Изменение КПИ шахты в процессе нагрева шихты
Таблица 2
Средние относительные значения статей баланса теплоты в шахте
Статьи баланса Средние значения, %
Количество теплоты, поступившей с газами в шахту 100
Количество теплоты, ушедшей из шахты с газами 43
Количество теплоты в нагретой шихте 36
Количество теплоты, отведенной с водой для охлаждения стенок шахты 16
Количество теплоты, отведенной с водой для охлаждения пальцев 5
Как следует из табл. 2, значительное количество теплоты горячих газов из рабочего пространства печи (21 %) теряется с водой, поступающей на охлаждение стен шахты и удерживающих пальцев.
Выводы.
Таким образом, разработана методика расчета баланса теплоты в шахте печи Фукса с применением математической модели конвективного теплообмена в неподвижном слое шихты.
Методика может быть использована для совершенствования конструкции шахты и режимов нагрева шихты с целью повышения эффективности ис-
пользования теплоты отходящих из печи газов и производительности печи.
Литература
1. Кабаков, З. К. Математическая модель нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи Фукс / З. К. Кабаков, Р. С. Панков // Материалы Ме-ждунар. науч. семинара «Научно-технический прогресс в металлургии - 2012». - Череповец, 2013. - С. 24-28.
2. Китаев, Б. И. Теплотехнические расчеты металлургических печей / [Б. И. Китаев и др.]. - М., 1970.
УДК 62
А. Ю. Казинаускас, Е. В. Ершов
Череповецкий государственный университет
УПРАВЛЕНИЕ РОБОТИЗИРОВАННЫМ КОМПЛЕКСОМ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
В статье приведено описание процесса и расчет параметров по нанесению покрытия на обрабатываемую деталь методами газотермического напыления, лазерной обработки и лазерной наплавки. Приведены режимы управления работой установки газотермического напыления для автоматизации технологического процесса, с целью восстановления деталей сложной геометрии.
Газотермическое напыление, лазерная наплавка, устройство управления, скоростью перемещения горелки, дистанции напыления.
The description of the process and calculation of parameters for covering on the processed detail by methods of gas-thermal dusting, laser processing and laser welding is given in the article. Control modes of installation of gas-thermal dusting for automatization of the technological process, for the purpose of restoration of details of difficult geometry are presented in the paper.
Gas-thermal dusting, laser welding, control unit, speed of movement of a torch, dusting distance.
Введение.
Важность решаемой задачи обусловлена востребованностью технических решений по восстановлению изношенных деталей оборудования, нанесению функциональных и защитных покрытий с использованием технологий газотермического напыления, лазерной обработки и лазерной наплавки. Нанесение на поверхность детали либо оборудования слоя металла, обладающего повышенной стойкостью к среде, твердостью, изолирующими и другими специальными свойствами, позволяет увеличить срок экс-
плуатации промышленного оборудования и его эксплуатационную надежность либо восстановить детали сложной геометрии.
Основная часть.
В настоящее время лазерная обработка и нанесение покрытия на деталь производится в ручном режиме при помощи сервопривода вращателя, который не обеспечивает требуемой точности и оперативности выполнения технологических операций (рис. 1) [2].
^Ммт
ш
б)
в)
Рис. 1. Микроструктуры газотермических покрытий: а - электродуговая металлизация, ручной режим; б - газопламенное напыление, ручной режим; в - метод высокоскоростного напыления при помощи роботизированного комплекса
